DC TO DC CONVERTER

DC to DC converter merupakan suatu device yang mengubah/mengkonversi energy listrik dari DC ke DC (menaikkan atau menurunkan), tanpa mengubah polaritas dari sumber.DC to DC converter ini memanfaatkan Charging dan discharging pada inductor, dengan metode switching. Switch yang digunakan adalah semikonduktor yang dioperasikan pada frequency tinggi semisal transistor BJT atau juga FET. DC to DC ini sangat sering dipakai di industry secara umum, dan elektronik khususnya, karena memiliki efesiensi yang tinggi. Divice ini biasanya dipakai sebagai pengatur kecepatan motor, atau mobil listrik, dan bisa juga untuk charger.

Beberapa Jenis DC to DC converter diantaranya:

1. Buck Converter, Menurunkan tegangan
2. Boost Converter, Menaikkan tegangan
3. Buck-Boost Converter, Menurunkan dan menaikkan tegangan.
4. Flayback (polaritas dengan outputnya dibalik).

Duty cycle adalah, perbandingan waktu hidup (konduksi) dengan total periode dari switching.

rangkaian ini memakai switch yang berupa semikonduktor, yang namanya switch dia bekerja hidup dan mati secara periodik, atau dapat kita katakan adalah ada periode on, ada periode off. 1 periode (T) adalah, waktu yang dibutukan oleh switch untuk 1 kali on dan 1 kali off. Duty cycle ini berfungsi sebagai konstanta pengali tegangan output yang dihasilkan pada design DC to DC converter. 

Seperti yang telah dijelaskan diatas bahwa, Buck Converter berfungsi untuk menurunkan tengangan, misalkan dari 12V DC ke 6 Volt DC, 10V DC ke 2 Volt DC, dll. Karana menurunkan tegangan, maka tegangan output yang dihasilkan akan selalu lebih kecil dari tegangan input(Supply), namun ingat polaritasnya tetap sama ya. Buck konverter menurunkan tegangan dengan memanfaatkan charge dan discharge dari induktor, tentu saja harus memiliki konfigurasi tertentu, jika tidak maka rangkaian tersebut boleh jadi tidak berfungsi sebagai mana mestinya. Secara umum konfigurasi Buck Converter adalah sebagai berikut:

Buck Converter

Vg(Vin) sebagai seumber, kemudian ada FET sebagai switch (Q), ada diode(D) sebagai penyearah, ada induktor(L) sebagai komponen utama charge dan discharge, kemudian ada kapasitor(C) yang berfungsi memperhalus tegangan output yang dihasilkan, dan terakhir ada beban (R) sebagai matching impedance. Switch (Q) sebagai saklar. yang berkedip pada frequency yang cukup tinggi (puluhan hinga ratusan KHz), sebagai pengendali time charge dan discharge. dalam membuat analisis kita hanya cukup mengabil sample 1 peride saja,karena frequency konstan dan terus berulang. Dengan demikian, kita dapat membagai kondisi pada rangkaian diatas, yakni pada kondisi on dan pada kondisi off:

1.  Kondisi switch on,

Pada kondisi ini, switch pada kondisi menutup, sehingga arus mengalir dari sumber menuju inductor, kapasitor dan juga resistor. Pada kondisi ini, inductor mengalami charging arus. Pada kondisi charging seolah inductor short, sampai arus mencapai maximum. Persamaan rangkaian pada kondisi on dapat dituliskan sebagai berikut:

Swich on mode

V_in=V_L+ V_C,

dimana V_out=V_C, maka dapat dituliskan kembali.

V_in=L(di/dt)+V_out,

di/dt selanjutnya dapat ditulis, Δi/ Δt

_in=L Δi/Δt+V_out 

Δt=adalah waktu on, sehingga dituliskan:

 V_in=L

Δi/Δt_on+V_out                                                                                                                

Sehinga nilai Δt_on= L Δi/(V_in-V_out)….(1)

Pada kondisi ini dapat dikatakan bahwa nilai tegangan induktor(V_L)adalah selisih antara tegangan input dengan tegangan output selama periode on.Pada kondisi ini, ripple diperkiran untuk V(t) (beban):

Arus induktor saat periode on

VL~V_in-V_r

I_c~I_L-V/R

Pada periode On, arus mencharging di induktor sebersar (V_in-V_r)/L, hingga dia mencapai nilai max, tentu juga tergantung dari periode on (ton) nya. Pada saat ini arus juga mengalir di capacitor, yang besarnya adalah arus induktor dikurangi degnan arus beban.

2. Kondisi switch off

Pada kondisi switch off, sumber tidak terhubung dengan rangkaian, pada kondisi ini indktor telah berubah menjadi sumber arus, karena telah discharging pada saat switch on. Karena inductor berfungsi sebagai sumber arus, sekarang giliran dia yang mensupply kebutuhan komponen yang lain. Secara matematis dapat dinyatakan dengan:

Kondisi Switch Off.

V_L=V_C=V_out

L Δi/Δt_off =V_out,

hal ini berarti induktor berubah menjadi sumber arus, energy potensial yang tersimpan sebesar L Δi akan dikonversikan mejadi tegangan output (Vout) selama periodeoff (toff). dari persamaan diatas, kita dapat memperoleh nilai dari Δt_off. 

Δt_off= L Δi/V_out……(2)

 Lalu bagaimana dengan distribusi arus yang terjadi pada induktar saat periode ini?, nah kita dapat mengamatinya pada gambar berikut:

Arus Induktor pada kondisi switch off.

Gambar diatas memperlihatkan, saat induktor periode on, maka arus akan mencharging induktor hingga mencapai Imax, dan pada saat switch off, arus akan discharge dan turun hingga mencapai nilai minimumnya Imin.Turunnya arus ini dapat kita tuliskan secara matematis, sbb:

V_L=-V_out

I_c=I_L-V/R

Tanda negative menyatakan bahwa tegangan turun(discharge), sedangkan arus yang mengalir di capcitor sebesar arus induktor dikurangi dengan arus pada beban.

Kondisi setelah induktor off

setelah kondisi benar-benar off, artinya saklar terbuka untuk beberapa waktu. Arus induktor adalah nol, dan tegangannya juga nol. Maka masih tersisa sedikit tegangan di capacitor. Rangakaian diatas dapat kita tuliskan sebagai berikut:

V_L=0, I_L=0

Sedangkan untuk ripple yang terjadi, diperkiran adalah sebagai berikut: 

V_L=0, I_c=-V/R    (arus Kapasitor discharge )

Kondisi induktor Off

secara lengkap kita dapat menggambarkan respon dari tegangan dan arus induktor dalam bentuk diagram garis:

Respon Arus dan Tegangan Induktor

Penguatan dari Buck Converter, Duty cycle.

Setelah kita mengerti bagaimana prinsip dari kerja rangkaian diatas, maka kita dapat melanjutkan lagi ke penguatan yang dihasilkan oleh buck converter diatas, secara logika saja semisal kita punya sumber 12 VDC kemidan output nya menjadi 6 VDC, berarti penguatan dari buck tersebut adalah 0.5. nah bagaimana menganlasisnya?, kita perhatikan pembahasan berikut:

Dari persamaan 1 dan 2 kita akan mencari penguatan dari sebuah buck converter. Inilah yang akan menjawab mengapa dengan input 12 menjadi 2,3,5, atau 6 volt.

Persamaan 1: V_in=L Δi/Δt_on+V_out 

Persamaan 2: L Δi/Δt_off =V_out

Dengan mengganti L Δi, maka

Persamaan 1 : V_in=(V_out. Δt_off )/ Δt_on +V_out

                                        =V_out([Δt_off / Δt_on]+1)

                                        =V_out[(Δt_off +Δt_on)/ Δt_on], karena Δt_off +Δt_on=T, maka

                                        =V_out[T/ Δt_on], karena k= Δt_on/T,

                                V_in =V_out[1/k], atau V_out= kV_in

Nah disinilah, mengapa duty cyle sangat penting pada sebuah DC to DC converter. Duty cyle menentukan berapa kali penguatan output yang dihasilkan. Pada buck Converter, besarnya tegangan output adalah k kali tegangan input.  Ya anggap saya tegangan input 12 V maka, jika k=0.5, tentu saja output yang dihasilkan adalah 6 Volt.

Induktor Charge-discharge dalam 1 periode

Pada pembahasan, pembahasan diatas, kita telah menjelaskan satu persatu kondosi rangkaian. nah kita dapat juga mengamati bagaimana hubungan antara induktor dengan tegangan input output tetapi lengkap satu periode langsung. ok, kita tehu bahwa satu periode adalah 1 kali untuk on dan off,, secara matematis adalaha sebagai berikut:

1periode (T)=t_on+t_off

Dengan difinisi ini, ditambah dengan hasil persamaan 1 dan persamaan 2 diatas, maka dapat dijabarkan sebagai berikut.

Δ_ton+ Δt_off=T

L Δi/(V_in-V_out)+ L Δi/V_out=T

L Δi[(1/(V_in-V_out)+1/V_out)]=T

L Δi[(V_out+V_in-V_out)/(V_in-V_out)V_out]=T

L Δi[(V_in)/(V_in-V_out)V_out]=T…….(3)

persamaan 3 inilah, gambaran hubungan antara induktor dngan tegangan input output dalam 1 periode, perhitungan ini sangat penting dalam mendesign sebuah buck converter jadi harus dipahami.